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R位p型掺杂对RBaCo_4O_7陶瓷热电性能的影响

陈宇博  
【摘要】:热电材料是一种能将热能和电能直接相互转化的功能材料,在能源利用和环境保护方面的特殊功能,使之成为材料研究领域的热点。钴基氧化物在氧化物热电材料中表现出了较好的热电性能,并具有无毒、无污染、高温下性能稳定等优点,近年来,引起了广大研究者的密切关注。RBa Co4O7陶瓷材料是一类新型钴基氧化物材料,属于p型半导体材料,具有复杂的晶格结构,较高的塞贝克系数和相对较低的热导率,在高温下表现出了较好的热电性能。以往的诸多研究表明,利用导电性能良好的金属元素掺杂往往可以提高热电材料的性能。因此,我们希望通过RBa Co4O7陶瓷材料的R位上掺杂金属元素来提高材料的热电性能。本实验采用传统的物理固相法合成样品,对所制备样品进行了X射线衍射分析其相结构,同时分析了温度和各掺杂元素的含量对材料的电阻率、Seebeck系数、功率因子、热导率以及ZT值的影响。本实验首先采用原材料相对廉价的YBa Co4O7陶瓷材料的掺杂研究做探究性试验,所选取的掺杂的元素为Ag、Pb、Sr、Tl、Zn、Cu等。研究结果发现,元素在较高比例掺杂时由于出现较多的杂质相,往往引起较高的电阻率,因此本实验的掺杂比例控制在0.1左右。从总体上来看,所选取的元素掺杂都明显地降低了材料的电阻率,从而优化了材料的热电性能。由于掺杂元素离子半径、导电性以及原子质量的不同,不同元素对材料热电性能的影响效果不同。在所选取的掺杂元素中,Ag和Pb掺杂对YBa Co4O7陶瓷材料的热电性能的优化最为明显。其中Ag元素的最佳掺杂浓度为0.15,Y0.85Ag0.15Ba Co4O7样品在温度为973K时功率因子达到最大值81μWm-1K-2,比未掺杂的样品提高72.7%,ZT值达到0.125。用探究实验中选出的最佳掺杂元素Ag和Pb元素用于Yb Ba Co4O7陶瓷材料的掺杂研究。结果表明,Pb元素掺杂对Yb Ba Co4O7材料热电性能的优化较为明显,Yb0.92Pb0.08Ba Co4O7样品在温度为973K,其功率因子达到84μW m-1 K-2,比未掺杂样品提高55%,ZT值达到0.12,比未掺杂样品提高69.5%。最后用掺杂效果明显的Ag和Pb元素用于Lu Ba Co4O7陶瓷材料掺杂研究。结果表明,Pb元素掺杂对Lu Ba Co4O7材料热电性能的优化较为明显,Lu0.92Pb0.08Ba Co4O7样品在温度为973K,其功率因子达到85μW m-1 K-2,比未掺杂样品提高22.3%,ZT值达到0.18。综合实验结果表明:R位空穴掺杂明显降低了RBa Co4O7陶瓷材料的电阻率,同时也降低材料的塞贝克系数,由于电阻率的降低幅度大于塞贝克系数的降低幅度,总体上在小比例掺杂时,材料的功率因子有一定提高。在所选取掺杂元素中,Ag和Pb的掺杂对材料热电性能的优化最为明显,这与大多数氧化物的掺杂效果是一致的。


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